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Arquitectura
Materiales compuestos en arquitectura
recursos e impacto ambiental
pags 153-173 Grupo de investigación: Territorio y habitabilidad
Línea de investigación: Arquitectura, ciudad y ambiente
Osear Cortés-Cely, Luis Fernando Molina-Prieto•
Recibido: 4 de noviembre de 2014
RESUMEN
El artículo aborda el tema de los Materiales Compuestos con miras a su aplicación en la arquitectura, haciendo énfasis en dos aspectos: 1. definición, clasificación, propiedades mecánicas y térmicas, y usos en arquitectura de los Materiales Compuestos; y 2. análisis del ciclo de vida de algunas de las materias primas que los conforman. Se busca establecer si los Materiales Compuestos, al ser incluidos en los proyectos arquitectónicos, contribuyen a disminuir el impacto ambiental generado por la industria de la construcción o si, por el contrario, aportan mayores cargas ambientales contaminantes. Se indaga sobre tres clases de Materiales Compuestos: los de matriz metálica, los de matriz cerámica y los de matriz orgánica. Para la evaluación del ciclo de vida se recurre al software SimaPro. Se concluye que los Materiales Compuestos de matriz orgánica generan bajo impacto ambiental; los de matriz cerámica, impacto medio; y los de matriz metálica, alto impacto.
Palabras clave: Materiales compuestos, ciclo de
vida, impacto ambiental.
Aceptado: 5 de diciembre de 2014
ABSTRACT
The article takes the topic of Composite Materials for its application in architecture and emphasizes two aspects: 1. definition, classification, mechanical and thermal properties, and uses in architecture of Composite Materials; and 2. life cycle analysis of sorne of the raw materials that make up. lt seeks to establish whether the Composite Materials, to be included in the architectural projects, contribute to reducing the environmental impact caused by the construction industry or whether, on the opposite, provide greater environmental pollutants loads. lt explores three kinds of composite materials: metal matrix, ceramic matrix and organic matrix. For the life cycle assessment, SimaPro software is used. lt is concluded that the organic matrix composite materials, generate low environmental impact; the ceramic matrix, medium impact; and the metallic matrix, high impact.
Key words: Composite Material, life cycle, environ
mental impact.
• Investigador ingeniería Industrial, Fundación Universidad de América. Luis.sanchez@profesores.uamerica.edu.co
ISSN 2011 - 639X - Fundación Universidad de América 153
lnvestigacion 7·2.indb 153 26/02/2015 10:50:32 a.m.
REVISTA DE INVESTIGACIÓN
INTRODUCCIÓN
En el mundo, la construcción de vivienda
convencional, se utilizan materiales tradiciona
les que demandan gran cantidad de recursos
naturales y de energía no renovable:
"La industria de la construcción consume el
50% de los recursos mundiales, actividad que
se convierte en la menos sostenible del planeta"
(Edwards, 2005. P. 18).
De manera reciente han aflorado en el cam
po de la ingeniería mecánica los Materiales
Compuestos, que incrementan la resistencia
mecánica, la flexibilidad, o la dureza de los ma
teriales que los conforman. Estos nuevos mate
riales surgen como una interesante opción para
la arquitectura, especialmente para la industria
de la construcción, lo que podría significar un
gran aporte en cuanto a la producción de vivien
da a nivel global.
La ciencia de los Materiales Compuestos les
confiere algunas propiedades que superan a
los materiales simples, pues al combinar, dos
o más materiales, se logran propiedades que
alcanzan altos niveles de rigidez, resistencia
mecánica, rendimiento a altas temperaturas, re
sistencia a la corrosión y dureza (Da Costa, Ve
lasco & Torralba, 2000). La creación de nuevos
materiales utiliza y aplica recursos derivados de
la naturaleza para fabricar dispositivos de alta
tecnología, lo cual ha permitido grandes avances
a partir de la física cuántica y de la nanociencia
(Takeuchi, 201 O). Los Materiales Compuestos
alcanzan una gran eficiencia mecánica; son de
fácil mantenimiento y durables; Sin embargo,
muchos de sus componentes aportan agentes
contaminantes al ambiente, en detrimento de
los ecosistemas y la biodiversidad.
El propósito del artículo es realizar una
aproximación a los Materiales Compuestos,
con miras a su aplicación en la arquitectura, lo
que incluye dos aspectos: 1. definición, clasi
ficación, propiedades mecánicas y térmicas, y
usos en arquitectura; y 2. análisis del ciclo de
Volumen 7, No. 2, Julio-diciembre 2014
vida de algunas de las materias primas que los
conforman. De esta manera el artículo busca
establecer si los Materiales Compuestos, al ser
incluidos en la arquitectura, contribuyen a dis
minuir el impacto ambiental generado por la in
dustria de la construcción o si, por el contrario,
aportan mayores cargas ambientales contami
nantes. Se indaga sobre tres clases de Materia
les Compuestos: los metálicos, los cerámicos
y los orgánicos, según la clasificación propuesta
por Mott (2009, p. 91 ).
Los materiales compuestos
"Se entiende por material compuesto aquel
formado por dos o más componentes, de forma
que las propiedades del material final sean su
periores que las de los componentes por sepa
rado" (Miravete & Castejón, 2002).
En todo material compuesto se distinguen
dos componentes: la MATRIZ, que actúa como
adherente; y el REFUERZO, que es el elemento
que aporta la resistencia. Los Materiales Com
puestos han incursionado en diversos ámbitos
del desarrollo, desde la industria aeronáutica
hasta la nanotecnología.
"El objetivo que se persigue con este tipo de materiales es la mejora, fundamentalmente, de las propiedades mecánicas del compuesto (resistencia mecánica, flexibilidad, dureza, etc.) en relación con las de sus componentes, matriz y refuerzo, combinando su morfología y su distribución" (Materiales compuestos, 2014).
Clasificación de los materiales
compuestos
Los Materiales Compuestos se clasifican
a partir del material predominante, que actúa
como adherente y como ya se mencionó, se co
noce como MATRIZ (ver Figura 1 ). Existen tres
categorías principales: los de matriz metálica,
los de matriz cerámica y los de matriz orgánica.
A continuación se presentan los materiales que
componen cada una de esas categorías.
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LINEA DE INVESTIGACIÓN: ARQUITECTURA, CIUDAD Y AMBIENTE
Figura 1: Diagrama de la clasificación de los materiales compuestos
MATERIAIJES COMPU E'STOS
MATRIZ.
I IA W trluy � - - - - - - - - - - ·-· -
ID !iáb!!r 1 � i------- -------------�------------r---------------�1
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LAHfflAiDO
11 SAINOW!CH
POILiMEROS org6nic:a
-- - - - - - -·- ---· - - .JI
Fuente: A partir de la clasificación realizada por Mott, 2009.
Materiales compuestos de matriz
metálica
Los Materiales Compuestos de matriz metá
lica son utilizados principalmente en las indus
trias aeroespacial y automotriz. Trabajan con
aleaciones entre metales ligeros y fibras, que
contribuyen a la resistencia a grandes esfuerzos
de tracción y flexión.
La densidad varía de acuerdo a la materia
prima. Están conformados principalmente por
cuatro métales ligeros: aluminio, titanio, magne
sio y berilio (ver Figura 2).
El aluminio es el tercer elemento más co
mún después del silicio y el oxígeno. Constitu
ye cerca del 8% de la corteza terrestre. Por ser
un metal ligero, dúctil y maleable, blando pero
fuerte, resistente a la corrosión y buen conduc
tor eléctrico y del calor, es utilizado actualmente
en las industrias aeronáutica, automotriz, naval
y de la construcción, y además, en el sector
eléctrico (cables de trasmisión de alta tensión)
y el de envases (latas para bebidas, papel de
aluminio para preservar alimentos). El titanio,
en forma de óxido y rocas ígneas, es el cuar
to metal más abundante en la naturaleza, y es
el noveno elemento más abundante en la cor
teza terrestre. Por ser un material liviano que
posee alta resistencia mecánica y además,
ser muy resistente a la corrosión, es utilizado
en las industrias aeroespacial, naval y militar,
médica y odontológica (instrumentos quirúrgi
cos, implantes), y de manera reciente en la in
dustria de la construcción, como en el Museo
Guggenheim de Bilbao (Ingeniería mecánica,
2014). El magnesio es considerado el séptimo
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elemento más abundante en la corteza terres
tre. Por su baja densidad (30% inferior a la del
aluminio), dureza y alta resistencia a la corrosión,
es uno de los materiales más utilizados en la
industria metalmecánica. En aleaciones se usa
en la industria aeroespacial, automotriz, naval,
de artículos deportivos, de telecomunicaciones
(partes de teléfonos celulares). Por último, el
berilio, se emplea principalmente en aleacio
nes por su dureza, alta resistencia al calor y a
la corrosión. En la industria aeronáutica y ae
roespacial, el berilio se utiliza ampliamente por
Figura 2: Componentes de la matriz metálica
· �l 1.1mi'niu
� Maginaio
• Bermo
Fuente: A partir de la clasificación realizada por Mott, 2009.
Volumen 7, No. 2, Julio-diciembre 2014
sus propiedades de ligereza, rigidez y estabili
dad dimensional (Elementos químicos, 2014).
Las Propiedades físicas y térmicas de las
materias primas de los Materiales Compuestos
de matriz metálica, se presentan en la Tabla 1.
Las principales características de los compues
tos de matriz metálica son: alta resistencia y rigi
dez, bajo peso, alta conductividad térmica, bajo
coeficiente de expansión térmica e inerte a la
oxidación y ataque químico.
MATRIZ
Tabla 1 : Propiedades físicas y térmicas de las materias primas de Materiales Compuestos de matriz
metálica. Elaboración propia
Materia Propiedades físicas
Matriz Punto de prima
Densidad fusión
Metálica Aluminio 2700 kg/m3 660 ºC !/)
Q) Titanio 4507 kg/m3 1668 ºC g !/) Q)
Magnesio 1738 kg/m3 650 ºC Q)
Berilio 1848 kg/m3 1287 ºC
Fuente: Educacion.es
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Punto de
ebullición
2480 ºC
3560 K
1090 ºC
2969 ºC
Propiedades térmicas
Calor Conductividad
específico térmica (K)
900 1/(K-KG) 237 w(K-m)
520 1/(K-kg) 21,9 W/(K-m)
1020 1/(K-kg) 156 W/(K-m)
1825 1/(K-kg) 201 W/(K-m)
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Usos en la arquitectura de los
materiales compuestos de matriz
metálica
Aluminio: Es el metal ligero que mayor aplicación tiene en la industria de la construcción. Los perfiles extruidos se emplean tradicionalmente en diversas aplicaciones arquitectónicas, especialmente en la fabricación de puertas, ventanas, claraboyas, y marquesinas. También se emplea como material de fachada, a partir de paneles tipo sándwich, que varían de espesor de acuerdo a la necesidad y aplicación arquitectónica. (www.alucobond, 2014).
Titanio: Las láminas de titanio han sido utilizadas para revestir fachadas en varios proyectos de arquitectura de vanguardia. Entre los más destacados se cuentan los proyectos del arquitecto Frank Gehry: el Museo Aeroespacial de California ( 1982-1984 ), el Centro Americano en París ( 1994 ), el Museo de Arte de Weisman y la sala de conciertos de Walt Disney en Los Ángeles, aunque:
"( ... ) el edificio que le reportó mayor prestigio internacional fue el Museo Guggenheim de Bilbao (1991-1997), en el que empleó cristal, acero inoxidable, zinc y titanio, mezclados con otros materiales autóctonos como la piedra".
(Guggenheim-Bilbao.es)
Figura 3: Aplicación del Aluminio en la Fachada del Medicina Penn Washington Square, Alucobond Plus, Philadelphia, Pennsylvania, 2013.
Fuente: Alucobondusa.com
Figura 4: Aplicación del Aluminio en perfiles extruidos para ventanas, 2014.
Fuente: Wikifab.es
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Materiales Compuestos de matriz
cerámica
Los Materiales Compuestos de matriz ce
rámica se caracterizan por su gran desempeño térmico y soportan temperaturas entre los 1200
hasta 1800 grados centígrados, propiedad que
los hace muy valorados en aplicaciones indus
triales con requerimientos extremos. Las usos
más importantes son: aislantes térmicos de mo
tores de propulsión a chorro de los jets comerciales y de cohetes espaciales y militares; elementos
estructurales en las turbinas de gas para plan
tas de generación de potencia y frenos en vehículos de carreras (Ciencia y Desarrollo, 2014).
Los componentes primarios que conforman
la matriz cerámica son el silicio, el dióxido de silicio (o sílice), la alúmina, el calcio y el sodio
(ver Figura 6).
El silicio es el segundo elemento más abun
dante en la corteza terrestre, después del oxígeno. En estado puro se considera un metaloide,
elemento químico semiconductor, propiedad
que lo hace muy requerido en la industria de la computación y las telecomunicaciones para la
Figura 5: Aplicación del Titanio en fachadas, 2014.
Fuente: Latercera.com
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Julio-diciembre 2014
producción de chips, fibras ópticas y circuitos
electrónicos ( Sílicon Va/ley). Además, es ele
mento esencial para la fabricación de paneles
fotovoltaicos. En aleaciones se emplea para la
fabricación de siliconas, muchas de ellas utiliza
das en la industria de la construcción. El dióxido
de silicio (o sílice), se encuentra en la naturale
za como parte de la arena, el cuarzo y diversas
piedras y arcillas. Se emplea de manera impor
tante en la fabricación del vidrio, las cerámicas
y el cemento portland. Por los tanto, es un ma
terial esencial en la arquitectura y la industria de
la construcción. La alúmina (óxido de aluminio),
junto con el dióxido de silicio (o sílice), son los
componentes más importantes de las arcillas y
los esmaltes. La alúmina es un metaloide más
duro que el aluminio que se utiliza como base
para la producción de ese metal. Por su dure
za ( está presente en piedras preciosas como
el rubí y el zafiro) la alúmina se emplea para la
fabricación de materiales abrasivos, y por sus
características químicas, como fundente en la
producción de diversas aleaciones. El calcio es el
quinto elemento más abundante en la corteza te
rrestre. Se emplea en diversas aleaciones, para
aportarles dureza y estabilidad. En la industria de
la construcción se usa el calcio en varias de sus
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manifestaciones, como el yeso (sulfato de calcio hidratado) o el mármol ( carbonato de calcio). Por último, el sodio es el sexto elemento más abun
dante en la corteza terrestre. En estado natural
no se encuentra en estado puro, pero hace parte de muchos compuestos como la sal. El sodio es un metal alcalino, blando y ligero, que se emplea
Figura 6: Componentes de la matriz cerámica
• Vidrio
• NBtí
• smcro
• Alúmrna• Dló;ddo de s!Jlolo• Calefi;,
• Sodio
Fuente: A partir de la clasificación realizada por Mott, 2009.
en diversas aleaciones. Las Propiedades físicas
y térmicas de las materias primas de los Materiales Los compuestos de matriz cerámica, se
presentan en la Tabla 2. Las principales carac
terísticas de los compuestos de matriz cerámica son: resistencia a alta temperatura, mayor resistencia y rigidez y resistencia a la corrosión.
MATR�:Z
Tabla 2: Propiedades físicas y térmicas de las materias primas de Materiales Compuestos de matriz cerámica.
Matriz Materia prima
Cerámica U) Silicio
:� Alúmina
Sílice U)
Sodio
Calcio üJ
Fuente: A partir de Educación.es
Propiedades físicas Propiedades térmicas
Densidad
2330 kg/m3
3960 kg/m3
2634 kg/m3
968 kg/m3
1550 kg/m3
Punto de Punto de Calor Conductividad
fusión ebullición específico térmica (K)
917 ºC 1442 ºC 700 1/(K-KG) 148 w(K-m)
2072 ºC NR NR 24 W/(K-m)
1713 ºC 2899 ºC 700 1/(K-kg) 148 W/(K-m)
98 ºC 883 ºC 1230 1/(K-kg) 141 W/(K-m)
842 ºC 1526 ºC 0,632 1/(K-kg) 201 W/(K-m)
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Usos en la arquitectura de los
materiales compuestos de matriz
ceráma
NBK: Los avances tecnológicos en el ámbito del uso de Materiales Compuestos de matriz cerámica en la arquitectura los ha liderado NBK, empresa holandesa que produce paneles terracota para fachadas donde se mezclan la tradición de la arcilla como materia prima base con la última tecnología en fachadas ventiladas. Las baldosas de terracota de NBK (Hunter Douglas, 2014 ), ofrecen una variedad de tamaños, formas, colores y acabados, aplicaciones que incluyen formatos: grande, medio, baguette, sólido y los sistemas de shingle.
Vidrio: La tecnología del vidrio permite funciones estructurales, decorativas y bioclimáticas. El
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vidrio logra mejorar el confort interior de los espacios con sistemas adaptables a diferentes condiciones climáticas. Es el material que más se utiliza en la arquitectura contemporánea, sus aplicaciones van desde la envolvente principal del edificio, divisiones interiores, barandas y escaleras hasta persianas digitales, tecnología desarrollada por Phillips (2007), quien diseño dos prototipos:
"( ... ) un primer prototipo llamado Daylight Window, ( ... ) se trata de un vidrio que es capaz de reproducir tanto luces como sombras en distintos niveles y operado de una manera totalmente digital ( ... ) un segundo prototipo fue desarrollado por el MIT, en conjunto con la Fundazione Bruno Kess/er ( ... ) permite controlar la temperatura y luminosidad, programando la abertura, tiene como principal objetivo la sustentabilidad." (Plataforma arquitectura, 2014 ).
Figura 7: Aplicación del NBK en la Fachada del Centro Comercial Andino, Bogotá, 2013.
Fuente: Hounterdouglas.com
Figura 8: Aplicación del Vidrio en la arquitectura contemporánea. Edificio Krishna P. Singh Center for
Nanotechnology, de la Universidad de Pensilvania, 2013.
Fuente: Fierasdelaingeniería.com
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Materiales compuestos de matriz
orgánica
Los Materiales Compuestos de matriz orgáni
ca se clasifican en dos categorías: los polímeros
termoestables y los polímeros termoplásticos.
Polímeros termoestables: Los polímeros ter
moestables tienen la propiedad de no fundirse o
deformarse por efecto de presión o temperatu
ra. Su capacidad de reciclaje es nula, pues una
vez se han solidificado es imposible retornarlos
al estado líquido.
Los principales componentes de los polí
meros termoestables son (ver Figura 9): los fe
nólicos, las aminas, el poliéster, los epoxis, los
uretanos, las siliconas y el poliuretano en espu
ma. Estos componentes se caracterizan por ser
compuestos químicos orgánicos (Tecnología de
los plásticos, 2014).
Figura 9: Componentes de la matriz orgánica.
11.os. ¡poi ere�. t,ermoe�t.a'bte�
;s:e ob,t ene a IJ'ilirtlr de, d'os
re�lml$ Uq Id ,
M
En la industria de la construcción se usan
las resinas epoxídicas, que generalmente se co
mercializan en forma de dos componentes que
al mezclarse se solidifican; y las resinas mela
mínicas, empleadas como recubrimiento de co
cinas y refrigeradores.
Las propiedades adherentes y de gran resis
tencia a esfuerzos, de los polímeros termoesta
bles (ver tabla 3), fomentan su comercialización
a nivel mundial con producciones cercanas a los
42 millones de toneladas de poliéster al año,
principalmente para la industria textil. En el
mundo se producen 8.323 kg de poliéster cada
segundo (Fibras sintéticas y artificiales, 2014 ).
Las principales características de las resinas
son: buen aislamiento eléctrico, buena resisten
cia mecánica, resisten la humedad, resisten el
ataque de fluidos corrosivos, resisten tempera
turas elevadas, excelente resistencia química,
poca contracción al curar y excelentes propie
dades adhesivas.
MAT'AIZ
Fenollws.
Amlnu
,:. Po[lé:rte,
-:, EpOJOls
(+ ll'.re1ilñ0:S ,:t Furanos -!• SrliC:oJ!le$ ,:.. Poi lure't�n.o; como e_ pum.
IITilllY utlllz t.omo illliluit
.érm co, t lfl�i�tc:nc-e.
Fuente: Polímeros Termoestables, a partir de la clasificación realizada por Mott, 2009.
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Polímeros termoplásticos: Estos polímeros,
a diferencia de los termoestables, pueden calentarse y moldearse, adquiriendo la forma de
seada al enfriarse, y este ciclo puede aplicarse
muchas veces sin degradar el polímero. Los
más usados son (ver Figura 10): el polietileno,
el policloruro de vinilo (conocido como PVC), el
polipropileno, el poliestireno, el policarbonato,
el poliuretano (en molde o extruido), y el poli
tereftalato de etileno. Los polímeros termoplás
ticos se caracterizan porque poseen, cerca del
10% con respecto a la de los metales, dureza
muy baja; y la ductilidad más alta en promedio,
Volumen 7, No. 2, Julio-diciembre 2014
con un tremendo rango de valores, desde una
elongación del 1 % para el poliestireno, hasta el
500% o más para el propileno (Polímeros Ter
moplásticos, 2014). Los polímeros termoplásti
cos poseen una estructura que les proporciona
propiedades que otros tipos de polímeros no po
seen (ver tabla 4) y que los hacen muy útiles
para aplicaciones de altas exigencias técnicas
tales como: excelente resistencia a la abrasión,
excelentes propiedades mecánicas, gran resis
tencia al desgarre, buena resistencia a agentes
químicos y muy buena elasticidad a bajas tem
peraturas.
Tabla 3: Propiedades físicas y térmicas de las materias primas de Materiales Compuestos de matriz
polimérica {Termoestables)
Materia Propiedades físicas Propiedades térmicas
Matriz Punto de Punto de Densidad prima
fusión ebullición Calor específico
Orgánica Fenólicos 1070 kg/m3 41 ºC 182 ºC -26 ºC 0561 kcal/mol ºK(/) Aminas 0,18 -20 ºC 19,13 NR
Poliéster 133 kg/m3 250 ºC NR NR Epoxis NR NR NR NR
Uretanos 1, 1 kg/m3, Sólido 48-50 ºC NR NR
Furanos 0,94 g/cm3 -85,6 ºC 31,3 NR
Siliconas 1,3 g/m3 NR NR NR
Fuente: Elaboración propia a partir de Rana.ve
Figura 1 O: Componentes de la matriz orgánica.
MATRIZ 1
Sos.e po!iní , i �·
. Termopliistf,os Or¡ánlca 1 ' 1
·, �Plásticos c:iue a temper turas
MaU,rfas p,1111'1s 1-:· Polietileno
Itas �e vuelvendeformable.s ... , Policlorurode vinilo
oflexlbles. -:- Polipropileno
--:� PoliMtlreno
V Policarbonato
.:,. PoliuretanO·; sólido, por
moldeo o extru$lón.
Fuente: Polímeros Termoplásticos, a partir de la clasificación realizada por Mott, 2009.
162 Fundación Universidad de América - ISSN 2011 - 639X
Conductividad
térmica (K)
NR
NR 0,060W/m NR
NR
NR
NR
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LINEA DE INVESTIGACIÓN: ARQUITECTURA, CIUDAD Y AMBIENTE
Tabla 4: Propiedades físicas y térmicas de las materias primas de Materiales Compuestos de matriz
polimérica (Termoplásticos).
Orgánicos Politer eftalato de
Etileno (PET) 1,455 g/cm3 160 ºC NA 1,0 kl/(kg-k) 0,24 W/(m-k)
f/J
Polietileno (PE) 945 y 950 kg
290y 350 ºC 350 ºC H 1800 0,5 o
por m3
•(ll Policloruro de vinilio a. 1,4 g/cm3 80 ºC -13,9 +/-0, 1 0,38 (cal/g) NA o (PVC)
Polipropileno (PP) 0,95 g/cm3 173 ºC NA 1700-1900 23C (W m-1 k-1) ;§ Poliestireno (PS) 1050 100ºC NA 1300 1/kg-k 0,03 W k-1 m-1
Policarbonato (PC) 1,20 g/cm3 130 ºC 250 ºC 1200 1/(K-kg) O, 19-0,22 W/m-k)
Poliuretano (PU) A 35 (kg/m3) NA NA 1800 1/kg-K
0,020 (W/m-K)
F 30 (kg/m3) NA NA 0,024 (W/m-K)
Am rígido H Alta densidad
Fm flexible L Baja densidad
Fuente: Elaboración propia a partir de Ntic.Educación.es
Usos en la arquitectura de los
materiales compuestos de matriz
orgánica
Por ser económico, de fácil instalación y mon
taje, el policloruro de vinilo, comúnmente conocido
como PVC, es un material usado frecuentemente
en los proyectos arquitectónicos, especialmen
te en las tuberías hidráulicas y sanitarias, aunque
además se emplea en casas prefabricadas (Ver
figura 9). Este material se caracteriza por su gran
resistencia y durabilidad, y por su adaptabilidad
a diversas condiciones climáticas.
Policarbonato: la principal aplicación del po
licarbonato es en las cubiertas de edificios, es
tadios y fábricas, porque las características del
material permiten el paso de la luz, pero no de
los rayos ultravioleta.
"El policarbonato alveolar( ... ), presenta un
alto índice de transmisión luminosa, ayudando
al aprovechamiento de la luz natural. Su es
tructura molecular es una base fundamental
del material, haciéndolo resistente tanto a altas
temperaturas, cambios climáticos fuertes, al
fuego y también a los altos impactos" (Acrílicos
y formas, 2014).
Las diferencias básicas entre los materiales
compuestos de las tres matrices son: los políme
ros termoplásticos poseen densidades más ba
jas que los metales y los materiales cerámicos;
los coeficientes de expansión térmica en los
polímeros son mucho más altos, aproximada
mente cinco veces el valor de los metales y 1 O
veces el de los cerámicos; los polímeros tiene
puntos de fusión a temperaturas muy bajas;
el calor específico es mayor de dos a cuatro
veces el de los metales sobre los cerámicos;
la conductividad térmica de los cerámicos es
de alrededor de tres órdenes de magnitud más
bajos que los de los metales y tienen grandes
propiedades de aislamiento eléctrico (Materia
les Compuestos, 2014).
La carga ambiental que genera la fabricación
de un Material Compuesto y su desempeño, en
términos de eficiencia y de manejo de residuos,
logra optimizar los recursos y mitigar el impac
to ambiental. Por lo tanto, la pregunta que se
planteó la investigación fue: ¿Cuáles serán los
componentes primarios (materias primas), uti
lizados en la fabricación de Materiales Com
puestos que menor impacto generen en los
ecosistemas? Para responder a esta pregunta
se seleccionaron las materias primas que más
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REVISTA DE INVESTIGACIÓN
se utilizan en la industria de la construcción, que corresponden a los componentes de las matrices anteriormente expuestas, y se les aplicó la herramienta de evaluación ambiental SimaPro.
METODOLOGÍA
Para evaluar el impacto ambiental generado por los componentes de los Materiales Compuestos incluidos en el artículo, se utilizó la herramienta de evaluación SimaPro (SimaPro versión 7.3, Faculty): Éste es un programa desarrollado por la empresa holandesa PRé Consultants, que permite realizar Análisis de Ciclo
de Vida mediante el uso de bases de datos de inventario propias ( creadas por el usuario) y bibliográficas (BUWAL, IDEMAT, ETH, IVAM).
"Es una herramienta profesional para almacenar, analizar y realizar un seguimiento del
Volumen 7, No. 2, Julio-diciembre 2014
rendimiento ambiental de los materiales. Con esta herramienta se facilita el análisis y la representación gráfica de ciclos complejos de un modo sistemático y transparente" (Pré Consultants, 2014).
El software SimaPro, evalúa el impacto en 11 variables, agrupadas en tres categorías. La primera categoría es la salud humana y sus variables son: Partículas cancerígenas, orgánicos respirados (sustancias orgánicas inhaladas) e inorgánicos respirados (sustancias inorgánicas inhaladas). La segunda categoría que corresponde al análisis del ecosistema y sus variables son: cambio climático, radiación, capa de ozono y eco toxicidad (en agua dulce y tierra). La tercera categoría compete a los recursos en las siguientes variables; acidificación y eutrofización, uso de la tierra, minerales y combustibles fósiles. El método de evaluación que utiliza el software es: Eco-Indicador 99 y Ecopuntos 97 (Uche, Raluy, Serra y Valero, 2014).
Figura 11: Aplicación del PVC en una vivienda prefabricada, 2014.
Fuente: Casasprefabricadas24.com
Figura 12: Aplicación del policarbonato.
Fuente: Orzare.com
164 Fundación Universidad de América - ISSN 2011 - 639X
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LINEA DE INVESTIGACIÓN: ARQUITECTURA, CIUDAD Y AMBIENTE
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Evaluación de impacto ambiental: componentes de Matriz Metálica
Para la evaluación del impacto ambiental
generado por los Materiales Compuestos de
matriz metálica se seleccionaron: el aluminio, el
titanio y el magnesio por ser los materiales más
utilizados en proyectos arquitectónicos.
• Aluminio: aluminium, primary, at plan/RER U
(ecoinvent, unit processes), (base de datos
bibliografía Simapro)
La producción de aluminio, como se aprecia
en la Figura 13, genera impactos ambientales
especialmente en dos categorías: salud huma
na y recursos. Muy alto en la categoría recur
sos, por la gran cantidad de energía empleada
en su producción, que proviene de combustibles
fósiles (130 %), y medio por el impacto a la va
riable minerales (38 % ). El impacto en la salud
humana es alto, siendo causado por las sustan
cias inorgánicas inhaladas por los trabajadores
vinculados al proceso de extracción de materias
primas y fabricación del aluminio (110 %) y por
la generación de partículas cancerígenas (45
% ). En la categoría ecosistema la única variable
que se ve impactada es la de cambio climático
(28 %).
• Titanio: titanium zinc plate, without pre-wea
thering, at plan/DES (ecoinvent, unit proces
ses), (base de datos bibliografía Simapro).
Como se aprecia en la Figura 14, la pro-
ducción de titanio genera impacto ambiental en
las tres categorías. Muy alto en la categoría de
ecosistema, específicamente en la variable de
eco toxicidad (150 % ). Medio en la categoría
de salud humana, por las sustancias inorgáni
cas inhaladas por los trabajadores vinculados
al proceso de extracción de materias primas y
fabricación del titanio (65 % ). Y también medio
en la categoría recursos, por la gran cantidad de
energía empleada en su producción, que provie
ne de combustibles fósiles (55 %). Cabe señalar que, aunque en menor cantidad o proporción,
la demanda de titanio en la arquitectura, impli
ca la generación de partículas cancerígenas,
contribuye con el calentamiento global y genera
residuos que acidifican y eutrofizan los ecosis
temas.
Figura 13: Indicadores de impacto ambiental del aluminio
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Fuente: a partir del SimaPro versión faculty 7.3
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Figura 14: Indicadores de impacto ambiental del titanio
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Fuente: a partir del SimaPro versión faculty 7.3
• Magnesio: magnesium at plan/RER S (ecoin
vent, unit processes), (base de datos biblio
grafía Simapro).
La producción de magnesio, como se apre
cia en la Figura 15, genera impacto ambiental
en las tres categorías. Muy alto en la categoría
de ecosistema, específicamente en la variable de
cambio climático (170 %). Alto en la categoría
recursos, por la gran cantidad de energía em
pleada en su producción, que proviene de com
bustibles fósiles ( 115 % ). Y medio en la categoría
de salud humana, por las sustancias inorgáni
cas inhaladas por los trabajadores vinculados
al proceso de extracción de materias primas y
fabricación del magnesio (44 %). Cabe destacar
que, aunque en menor cantidad o proporción,
la demanda de magnesio en la arquitectura, im
plica la generación de partículas cancerígenas.
Evaluación de impacto ambiental,
componentes de Matriz Cerámica
Para la evaluación del impacto ambiental
generado por los Materiales Compuestos de
matriz cerámica se seleccionaron el vidrio y la
cerámica NBK.
El primero porque las características propias
del vidrio, como son sus propiedades estéticas, de
transparencia y reciclado, han hecho que sea
un material utilizado en casi todos los proyectos
de arquitectura. Y la cerámica NBK por ser un
material actualmente bastante utilizado, y que
ha diversificado el diseño de fachadas y envol
ventes arquitectónicas.
• Vidrio: Flat glass plan/RER IS (ecoinvent,
unit processes), (base de datos bibliográficos
de SimaPro ).
Como se aprecia en la Figura 16, la pro
ducción de vidrio genera impactos ambientales
especialmente en dos categorías: salud hu
mana y recursos. El impacto es muy alto en la
categoría de recursos, específicamente por los
minerales que se emplean para la producción
del vidrio (150 %); y un poco menor por la gran
cantidad de energía empleada en la producción
del vidrio, que proviene de combustibles fósiles
(50 %).
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LINEA DE INVESTIGACIÓN: ARQUITECTURA, CIUDAD Y AMBIENTE
Figura 15: Indicadores de impacto ambiental del magnesio
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Fuente: a partir del SimaPro versión faculty 7.3
Figura 16: Indicadores de impacto ambiental del vidrio
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Fuente: a partir del SimaPro versión faculty 7.3
En la categoría de salud humana el impacto es medio (70 %) y es causado por las sustancias inorgánicas inhaladas por los trabajadores vinculados al proceso de extracción de materias primas y fabricación del vidrio. Cabe subrayar que, aunque en menor cantidad o proporción, la demanda de vidrio en la arquitectura, implica la generación de partículas
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cancerígenas y de materias residuales, ecotóxicas, también contribuye con el calentamiento global.
• NBK: Ceramic plant /CH/IS; (ecoinvent, unitprocesses), (base de datos bibliográficos deSimaPro).
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REVISTA DE INVESTIGACIÓN
Como se aprecia en la Figura 17, la producción de la cerámica NBK genera impactos en las tres categorías. El impacto es muy alto en la categoría salud humana por causa de la inhalación de sustancias inorgánicas durante los procesos de producción (140 %), y por la producción de partículas cancerígenas (30 % ). Los impactos en la categoría recursos son muy altos por el elevado consumo de combustibles fósiles durante el proceso de fabricación (130 %), y medio por el impacto sobre las variables uso de la tierra (70 % ) y minerales (60 % ). En menor proporción, aunque no desestimable, se impacta la categoría ecosistemas, especialmente en las variables generación de residuos eco tóxicos (35 % ), cambio climático (20 % ), y acidificación y eutrofización de los ecosistemas (10%).
Evaluación de impacto ambiental, componentes de Matriz Orgánica (Termoplásticos)
Para la evaluación de impacto ambiental de los Materiales Compuestos de matriz or-
Volumen 7, No. 2, Julio-diciembre 2014
gan1ca, se han seleccionado tres polímeros termoplásticos por ser los más utilizados en la construcción: el policloruro de vinilo (PVC), el policarbonato y el poliuretano.
• PVC: polyvinyl chloride/ E of project lndustrydata 2.0, (base de datos bibliográficos de Simapro).
La producción de PVC, como se apreciaen la Figura 18, genera impacto ambiental especialmente en dos categorías: salud humana y recursos. El impacto es muy alto en la salud humana, por efecto de la generación de partículas cancerígenas (135 %), y por la inhalación de sustancias inorgánicas (28 % ). En la categoría de recursos la variable más impactada es la de consumo de combustibles fósiles (90 % ). Cabe destacar que, aunque en menor cantidad o proporción, la demanda de PVC en la arquitectura, contribuye con el cambio climático.
• PC: Polycarbonate, at planURER U of ProjectEcoinvent unit processes, (base de datos bibliográficos de Simapro ).
Figura 17: Indicadores de impacto ambiental del NBK
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Fuente: a partir del SimaPro versión faculty 7.3
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LINEA DE INVESTIGACIÓN: ARQUITECTURA, CIUDAD Y AMBIENTE
Figura 18: Indicadores de impacto ambiental del PVC
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Fuente: a partir del SimaPro versión faculty 7.3
Figura 19: Indicadores de impacto ambiental del policarbonato
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Fuente: a partir del SimaPro versión faculty 7.3
La producción de policarbonato, como se aprecia en la Figura 19, genera impacto ambiental especialmente en dos categorías: salud humana y recursos. El impacto es alto en la salud humana, por la inhalación de sustancias inorgánicas (64 %). En la categoría de recursos, la variable de consumo de combustibles fósiles recibe un impacto muy alto (160 %). Cabe destacar que, aunque en menor cantidad o proporción, la demanda de policarbonalto en la arquitectura, contribuye con el cambio climático.
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• Poliuretano: Polyurethane, flexible foam, atplanURER S ecoinvent, unit processes, (basede datos bibliográficos de Simapro ).
La producción de poliuretano, como se aprecia en la Figura 20, genera impacto ambiental especialmente en dos categorías: salud humana y recursos. El impacto es alto en la salud humana, por la inhalación de sustancias inorgánicas (54 %). En la categoría de recursos la variable de consumo de combustibles fósiles recibe un impacto muy alto (150 %). Cabe destacar que,
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REVISTA DE INVESTIGACIÓN
aunque en menor cantidad o proporción, la de
manda de poliuretano en la arquitectura, contri
buye con el cambio climático.
DISCUSIÓN
Los Materiales Compuestos de matriz metá
lica analizados con SimaPro arrojan los siguientes resultados (ver tabla 5). El aluminio tiene el
mayor impacto en los combustibles fósiles, las
sustancias inorgánicas inhaladas y en los mi
nerales. El mayor impacto del titanio se genera en la eco-toxicidad, en las sustancias inorgá
nicas inhaladas y en los combustibles fósiles.
El mayor impacto del magnesio se genera en
el cambio climático, combustibles fósiles y en
las sustancias inorgánicas inhaladas. Compa
rativamente el mayor impacto se genera en la
categoría de los recursos, específicamente en
el consumo de combustible fósil para la elabora
ción de productos elaborados con metales ligeros. En segundo lugar el impacto se genera en
la variable de eco-toxicidad y en las sustancias
inorgánicas inhaladas, variables que correspon-
Volumen 7, No. 2, Julio-diciembre 2014
den a las categorías del eco-sistema y de la salud humana respectivamente.
Los compuestos de matriz cerámica analiza
dos con SimaPro generan el siguiente resultado
(ver tabla 6). El vidrio presenta el mayor impacto
en los minerales empleados para su fabricación.
En segundo lugar las sustancias inorgánicas in
haladas en el procesos de producción del vidrio
y en tercer lugar el combustible fósil empleado
para la extracción de las materias primas y la elaboración del vidrio.
Los compuestos de matriz orgánica analiza
dos con SimaPro generan el siguiente resultado
(ver tabla 7). El mayor impacto se genera en la
categoría de combustibles fósiles, principalmen
te por la energía requerida para su fabricación.
En segundo lugar corresponde a la salud huma
na, derivado de la manipulación de sustancias
cancerígenas que producen las partículas en
suspensión en los procesos de fabricación de
los productos elaborados con estos compues
tos. La tercera categoría de impacto se genera en la capa de ozono.
Figura 20: Indicadores de impacto ambiental del poliuretano flexible
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Tabla 5: Resultado de impacto ambiental de Materiales Compuestos de matriz metálica.
Aluminio 30% o 100% 20% o o 1% 2% o 30% 120% Titanio 10% o 50% 5% o o 150% 2% o o 40% Magnesio 4% o 30% 160% o o 1% 2% 5% 3% 100% Total 44% o 180% 185% o o 152% 6% 5% 33% 260%
Categoría de Salud humana 224% Calidad del ecosistema 337% Agotamiento de los minerales y recurso fósil 304%
impacto Impacto total 1 865%
Fuente: Elaboración propia a partir de la evaluación del software SimaPro versión faculty 7.3
Tabla 6: Resultado de impacto ambiental de Materiales Compuestos de matriz cerámica.
Vidrio 10% o 60% 5% o o 8% 2% 15 150% 40% NBK 25% o 20% 20% o o 30% 10% 70% 60% 120% Total 35% o 190% 25% o o 38% 12% 85% 210% 160%
Categoría de Salud humana 225% Calidad del ecosistema 63% Agotamiento de los minerales y recurso fósil 467%
impacto Impacto total 1 755%
Fuente: Elaboración propia a partir de la evaluación del software Simapro versión faculty 7.3
Tabla 7: Resultado de impacto ambiental de Materiales Compuestos de matriz orgánica (termoplásticos)
PVC 130% o 10% 5% o o o o o o 90% PC 2% o 50% 20% o o o 2% o o 150% PU 2% o 40% 10% o o o 2% o o 140% Total 134% o 100% 35% o o o 4% o o 380%
Categoría de
impacto Salud humana 234% Calidad del ecosistema 35% Agotamiento de los minerales y recurso fósil 384%
Impacto total 1 653%
Fuente: Elaboración propia a partir de la evaluación del software Simapro versión faculty 7.3
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REVISTA DE INVESTIGACIÓN Volumen 7,
No. 2,
Julio-diciembre 2014
CONCLUSIONES
Analizado el impacto ambiental que generan
los Materiales Compuestos que se utilizan en la
arquitectura, se concluye que los compuestos
de matriz metálica son los que mayor carga am
biental aportan a los ecosistemas, en segundo
lugar los compuestos de matriz cerámica, mien
tras que los compuestos de matriz orgánica son
lo que menos carga ambiental aportan al am
biente.
tina y el Caribe, ISTHMUS. Miembro del grupo
de investigación Territorio y Habitabilidad. Do
cente investigador Facultad de Arquitectura de
la Universidad de América del año 2010 a 2014.
Diseñador Independiente. Correo electrónico:
arqcortescely@gmail.com
Molina Prieto, Luis Fernando: Arquitecto
Investigador con amplia experiencia en temas
de sostenibilidad urbana. Miembro del grupo de
investigación Territorio y Habitabilidad. Docente
investigador Facultad de Arquitectura Univer
sidad de América. Por su trabajo ha recibido
varios reconocimientos, dentro de los que se
destaca el primer lugar en el Premio de repor
taje sobre biodiversidad, 2004, entregado en
Bangkok, Tailandia. Correo electrónico: lmolin
aprieto@gmail.com
SOBRE LOS AUTORES
Cortés Cely, Osear: Arquitecto, candidato a
magister en arquitectura bioclimática de la Es
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ISSN 2011 - 639X - Fundación Universidad de América 173
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